Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ dựa trên cấu trúc kim loại tinh thể quang tử

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

PHẠM THỊ THU HÀ

VẬT LIỆU BIẾN HÓA HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ DỰA TRÊN
CẤU TRÚC KIM LOẠI - TINH THỂ QUANG TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ QUANG HỌC

Thái Nguyên, năm 2020


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

PHẠM THỊ THU HÀ

VẬT LIỆU BIẾN HÓA HẤP THỤ SÓNG ĐIỆN TỪ DỰA TRÊN
CẤU TRÚC KIM LOẠI - TINH THỂ QUANG TỬ
Chuyên ngành: Quang học
Mã số: 8440110
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Cán bộ hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Lê Ðắc Tuyên
2. TS. Nguyễn Thị Hiền

Thái Nguyên, năm 2020


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn này là kết quả nghiên cứu của tôi, dưới sự

hướng dẫn của PGS. TS. Lê Đắc Tuyên và TS. Nguyễn Thị Hiền. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được cơng bố trong các cơng
trình khác.

Thái Nguyên, tháng 12 năm 2020
HỌC VIÊN

Phạm Thị Thu Hà


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS. TS.
Lê Đắc Tuyên và TS. Nguyễn Thị Hiền. Các thầy cô đã ln tận tình hướng dẫn,
định hướng kịp thời và tạo điều kiện thuận lợi nhất để tơi hồn thành luận văn
này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái
nguyên, Trường Đại học Mỏ - Địa chất, Viện Khoa học Vật liệu và Trường Đại
học Sư phạm Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất, hỗ trợ kinh phí
và các thủ tục hành chính trong suốt q trình học tập và nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường THPT Lê Hồng Phong, tỉnh Quảng
Ninh
- nơi tôi đang công tác đã tạo điều kiện cho tôi về thời gian và công việc tại cơ
quan trong suốt quá trình học và thực hiện luận văn.
Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, các cơ quan và cá nhân đã giúp đỡ, tạo
điều kiện tốt để tơi hồn thành luận văn.

HỌC VIÊN

Phạm Thị Thu Hà

ii


MỤC LỤC

MỤC LỤC........................................................................................................... III
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU................................................ V
DANH SÁCH CÁC BẢNG ................................................................................ VI
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ......................................................VII
MỞ ĐẦU............................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN................................................................................. 4
1.1.
Giới
thiệu
chung
về
hóa............................................................................ 4

vật

liệu

biến

1.1.1. Một số ứng dụng của vật liệu biến hóa ....................................................... 6
1.1.2. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ........................................................ 9
1.1.3. Cơ chế hấp thụ ánh sáng của vật liệu biến hóa ......................................... 10
1.2. Vật liệu biến hóa đa
............................................................ 12

đỉnh

và

hấp

thụ

dải

rộng

1.3. Hấp thụ vùng ánh sáng nhìn thấy.................................................................................
16
1.4. Tinh thể quang tử...........................................................................................................
17
1.4.1. Tinh thể quang tử ...................................................................................... 17
1.4.2. Vùng cấm quang........................................................................................ 19
1.4.3. Tinh thể quang tử opal............................................................................... 22
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................ 24
2.1.
Phương
pháp
chế
tạo
hóa......................................................................... 24

vật

liệu

biến

2.1.1. Hóa chất và thiết bị thí nghiệm ................................................................. 24
2.1.2. Chế tạo hạt cầu silica................................................................................. 25
2.1.3. Qui trình chế tạo tinh thể quang tử SiO2 opal ........................................... 27
2.1.4. Chế tạo cấu trúc đĩa vàng .......................................................................... 28
2.2.
Các
phép
đo
được
mẫu............................................................... 29
3

sử

dụng

để

khảo

sát


2.2.1. Kính hiển vi điện tử quét........................................................................... 29
2.2.2. Phổ phản xạ và phổ truyền qua ................................................................. 31
2.2.3. Phổ tán xạ Raman...................................................................................... 32

4


CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 36
3.1. Kết quả chế tạo hạt cầu SiO2 ........................................................................................
36
3.2. Kết quả chế tạo tinh thể quang tử SiO2 opal
............................................................... 38
3.3. Khảo sát tính chất quang của tinh thể quang tử SiO2 opal
........................................ 40
3.4. Kết quả chế tạo cấu trúc đĩa nano vàng - tinh thể quang
tử....................................... 44
3.5. Kết quả đo phổ hấp thụ cấu trúc đĩa nano vàng – tinh thể quang
tử......................... 46
3.6. Kết quả đo phổ Raman (tán xạ Raman tăng cường bề mặt –
SERS)....................... 48
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 51
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ.............................. 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................... 53

5


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU

Chữ viết tắt Tiếng anh

Tiếng việt

1D

One – dimensional

Một chiều

2D

Two – dimensional

Hai chiều

3D

Three – dimensional

Ba chiều

FCC

Face - centered cubic

Lập phương tâm mặt

MA

Metamaterial absorber

Vật liệu biến hóa hấp thụ

MM

Metamaterial

Vật liệu biến hóa

PBG

Photonic band gap

Vùng cấm quang

PhC

Photonic crystal

Tinh thể quang tử

SEM

Scanning electron microscopy

Kính hiển vi điện tử quét

Surface-enhanced Raman

Tán xạ Raman tăng cường bề

scattering

mặt



Wavelength

Bước sóng



Incident angle

Góc tới

f

Frequency

Tần số

neff

Effective refractive index

Chiết suất hiệu dụng

C2H5OH

Ethanol

Cồn

H2O

Water

Nước

NH4OH

Aqueous ammonia

TEOS

Tetraethoxysilane

SERS

v


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2. 1. Các hóa chất thí nghiệm .................................................................... 24
Bảng 2. 2. Dụng cụ thí nghiệm ........................................................................... 24
Bảng 3. 1. Một số hạt cầu SiO2 chế tạo được...................................................... 36

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1. 1. MA đầu tiên được tìm ra bởi Landy năm 2008 [21]............................ 5

Hình 1. 2. Lịch sử nghiên cứu và phát triển của MA [8]. ..................................... 6
Hình 1. 3. Nguyên lý hoạt động của siêu thấu kính dựa trên vật liệu biến hóa [22]
............................................................................................................... 7
Hình 1. 4. Ngun lý hoạt động của lớp vỏ tàng hình vật liệu biến hóa [20]....... 8
Hình 1. 5. Minh hoạ sự phối hợp trở kháng hồn hảo của vật liệu biến hóa với
mơi

trường

hoạt

động.

................................................................................ 12
Hình 1. 6. (a) Cấu trúc ô cơ sở và (c) mẫu chế tạo tương ứng của MA đỉnh kép
sử dụng cấu trúc cộng hưởng tích hợp với tụ điện. Phổ hấp thụ (b) mô
phỏng và (d) mô thực nghiệm [40]. .................................................... 13
Hình 1. 7. Cấu trúc ơ cơ sở của MA hấp thụ dải rộng (a) trước và (b) sau khi tích
hợp điện trở ngoại vi. (c) Phổ hấp thụ mơ phỏng và thực nghiệm [37].
............................................................................................................. 14
Hình 1. 8. Một số ứng dụng tiêu biểu sử dụng vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện
từ [41-43]. ........................................................................................... 15
Hình 1. 9. Mơ hình ứng dụng của MA có tính năng đàn hồi và hoạt động trong
dải tần số rộng, có thể được tận dụng trong mục tiêu quân sự. Nếu toàn
bộ tàu chiến (hoặc xe tăng, máy bay chiến đấu) được bọc bởi MA thì
sự tồn tại của chúng sẽ khơng thể bị phát hiện bởi các máy dị sóng tần
số thấp (rađa hoặc vệ tinh) [44]...............................................................
15
Hình 1. 10. (a), (b) Cấu trúc ô cơ sở của MA và các tham số cấu trúc. (c),(d) Phổ
hấp thụ với các góc tới khác nhau cho phân cực TE và TM [45]....... 17

Hình 1. 11. Ảnh SEM của cánh bướm (a) và lông chim (b) ............................... 18
Hình 1. 12. (a)-(c) Mơ hình cấu trúc tinh thể quang tử 1D, 2D và 3D. (d)-(f) Các
ví dụ tinh thể quang tử màng nhiều lớp (1D), sợi quang học (2D) và
cấu

trúc

thanh

gỗ

................................................ 19
vii

xếp

chồng

(3D)

[49-51]


Hình 1. 13. Cấu trúc màng đa lớp [52] ............................................................... 20
Hình 1. 14. Nhiễu xạ tia X trên bề mặt tinh thể. ................................................. 21

vii


Hình 1. 15. Ảnh SEM của tinh thể quang tử SiO2 opal và silicon opal đảo (a) Đá

opal trong tự nhiên với nhiều màu sắc khác nhau; (b) ảnh SEM của cấu
trúc opal; (c) Ô cơ sở mạng FCC [54]. .................................................
22
Hình 2. 1. Qui trình chế tạo hạt cầu silica........................................................... 26
Hình 2. 2. Sơ đồ chế tạo tinh thể quang tử SiO2 opal: (a) và (b) chuẩn bị khe hẹp,
(c) q trình tự sắp xếp có hỗ trợ của nhiệt độ, (d) cấu trúc tinh thể
quang tử SiO2 opal. ............................................................................. 27
Hình 2. 3. Sơ đồ mơ tả q trình phún xạ ........................................................... 28
Hình 2. 4. Sơ đồ khối của kính hiển vi điện tử quét. .......................................... 30
Hình 2. 5. Sơ đồ hệ đo phổ phản xạ và phổ truyền qua. ..................................... 32
Hình 2. 6. Sơ đồ nguyên lý tán xạ Raman .......................................................... 33
Hình 2. 7. Hệ thống quang phổ Raman............................................................... 34
Hình 3. 1. Ảnh SEM của hạt cầu SiO2 kích thước trung bình 370 nm với độ
phóng

đại

khác

nhau.

..................................................................................... 37
Hình 3. 2. Đường kính hạt cầu SiO2 phụ thuộc thể tích TEOS........................... 38
Hình 3. 3. Ảnh SEM bề mặt tinh thể quang tử SiO2 opal. (a) – (d) tương ứng với
các kích thước trung bình của hạt cầu SiO2 là 270, 295, 315 và 355
nm.
............................................................................................................. 39
Hình 3. 4. Phổ phản xạ và phổ truyền qua theo phương vng góc với mặt (111)
của tinh thể quang tử opal với đường kính hạt cầu SiO 2 D = 295 nm.
............................................................................................................. 41

Hình 3. 5. Phổ phản xạ đo tại góc tới  = 0 của tinh thể quang tử opal với hạt
cầu
SiO2 có đường kính khác nhau. .......................................................... 42
Hình 3. 6. Phổ phản xạ của tinh thể quang tử opal phụ thuộc vào góc tới với
đường

kích

quả

cầu

D

................................................................... 43

8

=

295

nm.


Hình 3. 7. So sánh đỉnh phổ phản xạ phụ thuộc vào góc tới của ánh sáng và định
luật Bragg ............................................................................................ 44

9

Hình 3. 8. (a)-(d) Ảnh SEM cấu trúc đĩa nano vàng - tinh thể quang tử với thời
gian xử lý khác nhau 0, 2 và 5 s. (e)–(f) Ảnh chụp các mẫu cấu trúc đĩa
nano vàng - tinh thể quang tử với kích thước hạt cầu khác nhau. ......
45
Hình 3. 9. (a) Phổ phản xạ của tinh thể quang tử opal, (b) và (c) Phổ phản xạ và
phổ hấp thụ của cấu trúc đĩa nano vàng – tinh thể quang tử tại góc tới
20 và 30. Đường kính quả cầu SiO2 = 295 nm. ............................... 47
Hình 3. 10. Phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) của phân tử 4-NBT với
cấu trúc đĩa nano và màng vàng.......................................................... 49
Hình 3. 11. Phổ tán xạ Raman tăng cường bề mặt (SERS) của phân tử 4-NBT với
cấu trúc đĩa nano và màng vàng.......................................................... 50

9


MỞ ĐẦU
Hấp thụ sóng điện từ trong vùng quang học hiện nay đang là vấn đề thu
hút được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, vì có nhiều ứng dụng trong
thực tế như chế tạo các thiết bị quang điện, đầu dò quang, cảm biến sinh học, pin
mặt trời [1-3]. Các vật liệu tự nhiên thường hấp thụ yếu hoặc phản xạ mạnh các
sóng điện từ vùng ánh sáng nhìn thấy [4]. Những hạn chế của vật liệu tự nhiên
có thể được khắc phục bằng cách tạo ra vật liệu có cấu trúc nhân tạo với kích
thước lớn hơn một phân tử như vật liệu biến hóa và tinh thể quang tử [5,6].
Năm 2008, Landy và cộng sự lần đầu tiên đã chế tạo thành cơng vật liệu
biến hóa hấp thụ sóng điện từ [7]. Vật liệu này có nhiều ưu điểm so với vật liệu
hấp thụ truyền thống như độ dày nhỏ, độ hấp thụ có thể lên đến 100%, đặc biệt là
có thể thay đổi một cách linh hoạt vùng tần số hoạt động cũng như độ hấp thụ
bằng cách thay đổi các tham số cấu trúc [8,9]. Tính chất của vật liệu biến hóa
được quyết định bởi hình dạng và cấu trúc cộng hưởng giả nguyên tử mà ít phụ

thuộc vào tính chất của vật liệu tạo thành. Tuy nhiên, mỗi cấu trúc cộng hưởng
phải có kích thước nhỏ hơn so với bước sóng hoạt động và thường sử dụng ky
thuật quang khắc từ trên xuống (top-down), vốn đã giới hạn khả năng chế tạo
trong vùng tần số cao THz và ánh sáng nhìn thấy.
Tại Việt Nam, các nghiên cứu bằng thực nghiệm vật liệu biến hóa tập
trung chủ yếu trong vùng tần số GHz do kích thước của vật liệu khá lớn nên
thuận lợi trong chế tạo khi sử dụng phương pháp quang khắc thông thường [1014]. Tuy nhiên, đối với vùng tần số THz và ánh sáng nhìn thấy vùng có nhiều
ứng dụng trong quân sự, kiểm tra an ninh, y sinh, năng lượng, cảm biến,… kích
thước lại rất nhỏ (cỡ từ m đến nm) nên để chế tạo nếu vẫn sử dụng phương
pháp quang khắc thì
địi hỏi cơng nghệ cao. Các thiết bị cơng nghệ này ở điều kiện Việt Nam cịn rất
hạn chế, đặc biệt là khi chế tạo trong vùng khả kiến thì hồn tồn phải nhờ cơng

1


nghệ ở nước ngồi. Chính vì vậy, việc nghiên cứu phương pháp chế tạo mới
phù hợp với điều kiện ở Việt Nam là một công việc rất cần thiết.
Dựa trên các kết quả đã đạt được [15], đề tài luận văn nghiên cứu và chế
tạo vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ cấu trúc đĩa nano vàng – tinh thể quang
tử hoạt động trong vùng ánh sáng nhìn thấy bằng phương pháp từ dưới lên
(bottom-up) phù hợp với điều kiện thiết bị thí nghiệm trong nước.
Mục tiêu của luận văn:
Chế tạo được vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ có cấu trúc đĩa nano
vàng - tinh thể quang tử hoạt động vùng ánh sáng nhìn thấy và khảo sát tính
chất của chúng.
Đối tượng nghiên cứu:
Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ có cấu trúc đĩa nano vàng - tinh thể
quang tử opal.
Phương pháp nghiên cứu:

Luận văn được thực hiện băng phương pháp thực nghiệm.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận văn:
Nghiên cứu và chế tạo vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ hoạt động
trong vùng ánh sáng nhìn thấy bằng cách sử dụng ky thuật tự sắp xếp từ dưới lên
có ý nghĩa trong nghiên cứu cơ bản cũng như các ứng dụng trong thực tế. Các
đĩa nano vàng được gắn trên bề mặt từng quả cầu SiO 2 của tinh thể quang tử
opal. Bước sóng hấp thụ có thể được điều chỉnh thơng qua tham số cấu trúc và
góc tới của ánh sáng. Với khả năng điều chỉnh phổ hiệu quả cao và độ chọn lọc
phổ tốt, cấu trúc đĩa nano vàng - tinh thể quang tử có thể được sử dụng để làm
cảm biến tán xạ Raman tăng cường bề mặt cũng như tích hợp với các cơng nghệ
nhằm tăng cường độ nhạy đầu đo quang và thiết bị hình ảnh.

2


Nội dung luận văn được trình bày trong 3 chương:
Chương 1: Tổng quan, trình bày khái niệm về vật liệu biến hóa và tinh thể
quang tử, các đặc trưng cơ bản cũng như một số ứng dụng của loại vật liệu này.
Chương 2: Phương pháp nghiên cứu, trình bày phương pháp nghiên cứu
được sử dụng trong luận văn, như phương pháp chế tạo vật liệu và đo mẫu.
Chương 3: Kết quả và thảo luận, trình bày các kết quả nghiên cứu về chế
tạo vật liệu, khảo sát hình thái học, tính chất quang của vật liệu biến hóa cấu trúc
đĩa nano vàng – tinh thể quang tử. Bên cạnh đó nghiên cứu hiệu ứng plasmonic
để làm cảm biến xác định phân tử hữu cơ.

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1.

Giới thiệu chung về vật liệu biến hóa
Vật liệu biến hóa được xây dựng dựa trên những “giả nguyên tử”, là

những mạch cộng hưởng điện từ nhỏ hơn nhiều lần bước sóng hoạt động mà tại
đó các tính chất đặc biệt của vật liệu biến hóa xuất hiện. Băng cách thay đổi tính
chất và mạng tinh thể (quy luật sắp xếp) của các “giả nguyên tử” này một cách
đồng thời, các nhà khoa học có thể thu được những tính chất bất thường khơng
tồn tại trong vật liệu tự nhiên. Một trong những tính chất thú vị được tìm kiếm
đầu tiên của vật liệu biến hóa là khả năng tạo ra mơi trường có chiết suất âm. Về
mặt lý thuyết, sự tồn tại của vật liệu có chiết suất âm đã được đề xuất vào năm
1968 [16], dựa trên sự kết hợp đồng thời của vật liệu có độ từ thẩm âm (µ < 0)
và độ điện thẩm âm (ε
< 0). Tuy nhiên, sau gần 30 năm, John Pendry và cộng sự đã đưa ra mơ hình lưới
dây kim loại có độ điện thẩm hiệu dụng âm năm 1996 [17]. Kết quả nghiên cứu
đã chỉ ra răng cấu trúc lưới dây kim loại có thể đưa tần số plasma của kim loại về
vùng tần số GHz (bước sóng micro) từ đó có thể tạo ra mơi trường có độ điện
thẩm âm. Năm 1999, John Pendry và cộng sự cũng chứng minh sự tồn tại của
mơi trường có độ từ thẩm âm với cấu trúc vòng cộng hưởng có rãnh [18]. Băng
cách kết hợp hai mơ hình lưới dây kim loại và vịng cộng hưởng có rãnh, Smith
và cộng sự đã chế tạo thành công vật liệu biến hóa có chiết suất âm (đồng thời độ
từ thẩm và điện thẩm âm) năm 2000 [19]. Kể từ đó, nhiều nhà khoa học đã quan
tâm nghiên cứu chế tạo, tính chất và ứng dụng của vật liệu biến hóa trong thực
tế.
Nhưng tính chất khác thường của vật liệu biến hóa khơng dừng lại ở đó.
Nhờ khả năng tùy biến của những “giả nguyên tử”, vật liệu biến hóa có thể được
thiết kế để thay đổi tồn diện tính chất truyền sóng điện từ của mơi trường. Năm
2006, Pendry một lần nữa thu hút sự chú ý của cộng đồng khoa học khi đưa ra
mơ hình và chứng minh bằng thực nghiệm sự tồn tại của lớp vỏ tàng hình sóng
4

điện từ băng vật liệu biến hóa tại vùng GHz [20]. Gần đây nhất, năm 2008, vật
liệu

5


biến hóa hấp thụ sóng điện từ (metamaterial absorber - MA) đầu tiên đã được đề
xuất bởi I. Landy. Cấu trúc MA gồm ba lớp: hai lớp kim loại và một lớp điện
mơi được mơ tả trên Hình 1.1 có độ hấp thụ là A  99% tại tần số 11.65 GHz
[21].

Hình 1. 1. MA đầu tiên được thiết kế bởi Landy năm 2008 [21].
Khả năng ứng dụng to lớn của vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ trong
cuộc sống và quân sự khiến cho vật liệu này càng được quan tâm một cách đặc
biệt hơn. Chỉ trong thời gian ngắn, các nhà nghiên cứu đã phát triển các cấu trúc

6


vật liệu MA hoạt động ở các vùng khác nhau của phổ sóng điện từ như: vùng vi
sóng, THz, hồng ngoại, thậm chí vùng ánh sáng nhìn thấy (Hình 1. 2.) [8].

Hình 1. 2. Lịch sử nghiên cứu và phát triển của MA [8].
Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, người ta chia ra các vùng sóng điện từ
như sau: vi sóng (1 GHz–30 GHz: 30 cm–1 cm), vùng sóng milimet (30 GHz–
300
GHz: 10 mm–1 mm), vùng THz (300 GHz–10 THz: 1mm–30  m), vùng hồng
ngoại giữa (10 THz–100 THz: 30  m–3  m), vùng hồng ngoại gần (100 THz–

400 THz: 3  m–0.75  m) và vùng khả kiến (400 THz–800 THz: 750 nm–375
nm).
1.1.1. Một số ứng dụng của vật liệu biến hóa
Vật liệu biến hóa thường là vật liệu có cấu trúc nhân tạo cho phép chúng ta
quan sát thấy những tính chất vật lý kì lạ, chưa được thấy trong những vật liệu
trong tự nhiên. Chính vì vậy, việc ra đời của loại vật liệu mới này hứa hẹn sẽ
mang lại hàng loạt ứng dụng mới và quan trọng trong cuộc sống. Sự linh hoạt
của vật liệu này làm cho vật liệu trở nên quan trọng trong lĩnh vực thông tin,
cảm biến, thiết bị quang học. Sự thú vị thực sự của vật liệu biến hóa năm ở khả
năng điều
7


khiển sóng điện từ hay tính chất quang của vật liệu phục vụ cho hàng loạt các
ứng dụng thực tế. Một trong những ứng dụng nổi bật nhất của vật liệu này là siêu
thấu kính được đề xuất bởi Pendry [22] như Hình 1.3. Điểm đặc biệt của thấu
kính này là có thể vượt qua giới hạn quang học của các thấu kính cổ điển để cho
ảnh hội tụ của hai nguồn sáng cách nhau một khoảng nhỏ hơn bước sóng. Vì thế,
độ phân giải sẽ được nâng lên gấp nhiều lần so với các thấu kính quang học
truyền thống. Năm 2005, siêu thấu kính quang học dựa trên vật liệu biến hóa đã
được Zhang và các cộng sự chứng minh bằng thực nghiệm thành cơng [23].

Hình 1. 3. Ngun lý hoạt động của siêu thấu kính dựa trên vật liệu biến hóa
[22].
Một ứng dụng khác là vật liệu tàng hình dựa trên vật liệu biến hóa do
nhóm Smith và Pendry phát hiện và kiểm chứng băng thực nghiệm [20]. Băng
cách điều khiển khéo léo chiết suất của lớp vỏ vật liệu biến hóa, đường đi của
sóng điện từ trong lớp vỏ này có thể bị bẻ cong một cách hồn hảo. Theo ngun
lý đó, lớp vỏ vật liệu biến hóa có thể dẫn sóng điện từ đi vịng quanh một vật
thể, nhờ đó vật thể trở thành “tàng hình” (Hình 1.4). Với ứng dụng này, chúng

ta có quyền nghĩ
8


về một loại vật liệu mới, mà nếu chúng ta được "bao phủ" bởi nó, thì khơng ai có
thể nhìn thấy chúng ta cho dù chúng ta đang đứng ngay trước mặt họ. Điều này
tạo nên đột phá lớn, đặc biệt là trong qn sự. Các thí nghiệm của nhóm Smith
(Đại học Duke) đã đạt tới bước sóng tiến gần đến vùng nhìn thấy, các thí nghiệm
với sóng ánh sáng trong vùng nhìn thấy đang được tập trung nghiên cứu.

Hình 1. 4. Nguyên lý hoạt động của lớp vỏ tàng hình vật liệu biến hóa [20].
Ngồi những ứng dụng kì diệu rõ ràng kể trên, vật liệu biến hóa cịn tỏ ra
rất tiềm năng trong các lĩnh vực khác như bộ lọc tần số [24], cộng hưởng [25],
cảm biến sinh học [26], đặc biệt là tính hấp thụ của loại vật liệu này [7-9]. Với sự
phát triển mạnh mẽ của vật liệu nano, kéo theo khả năng chế tạo vật liệu siêu hấp
thụ ánh sáng mặt trời, tạo triển vọng ứng dụng vật liệu biến hóa làm pin mặt trời
hiệu suất cao [27].
Tuy nhiên, để biến khả năng ứng dụng của vật liệu biến hóa thành những
ứng dụng trong thực tế, còn rất nhiều vấn đề cần được làm rõ và cần nghiên cứu
một cách thỏa đáng. Trước tiên là bằng cách nào để chế tạo vật liệu có cấu trúc
đơn giản, dễ dàng và có tính đối xứng cao, đặc biệt là hoạt động ở vùng tần số
THz hay vùng khả kiến. Tiếp theo là liên quan đến việc mở rộng vùng tần số
hoạt động của vật liệu, chế tạo vật liệu khơng phụ thuộc phân cực sóng điện từ,
hay

9


việc điều khiển tính chất của vật liệu băng các tác động ngoại vi (quang, nhiệt,
điện, từ…) cũng đang được các nhà khoa học quan tâm một cách sâu sắc.

Ở Việt Nam gần đây, nhóm nghiên cứu hợp tác giữa Viện Khoa học Vật
liệu
- Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Trường Đại học Mỏ- Địa
chất, Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội, Trường Đại Học Khoa học Thái Nguyên
đã có những nghiên cứu bước đầu về tính chất điện từ của vật liệu biến hóa ở
vùng sóng viba và cho thấy những khả năng ứng dụng hết sức thú vị [13,28-31].
Vật liệu biến hóa với tính chất siêu hấp thụ có ưu điểm nổi bật so với các vật liệu
hấp thụ thông thường khác. Do vậy, việc nghiên cứu tính chất hấp thụ của vật
liệu biến hóa sẽ là tiền đề cho hàng loạt ứng dụng tiềm năng trong công nghiệp
(như chế tạo vi nhiệt kế, các phịng chắn bức xạ cơng nghiệp, pin năng lượng…)
mà đặc biệt trong lĩnh vực quốc phòng (thay đổi hướng đi của sóng điện từ, tàng
hình ảnh nhiệt, tác chiến ban đêm…).
1.1.2. Vật liệu biến hóa hấp thụ sóng điện từ
Hấp thụ sóng điện từ có thể được phân chia thành hai loại: hấp thụ cộng
hưởng (resonant absorbers) và hấp thụ có băng thơng rộng (broadband
absorbers). Hấp thụ cộng hưởng dựa trên sự tương tác giữa vật liệu với sóng
điện từ băng
cách cộng hưởng tại tần số xác định  0 , ở đây bước sóng điện từ tương ứng với
tần số  0 là 0 = 2c với c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Hấp thụ băng
/ 0
thơng rộng dựa trên vật liệu có tính chất hấp thụ khơng phụ thuộc vào tần số và
do đó có thể hấp thụ sóng điện từ trên một dải rộng lớn. Vật liệu biến hóa (MA)
có khả năng hấp thụ sóng điện từ có khả năng hấp thụ hồn tồn năng lượng của
sóng điện từ chiếu tới tại tần số hoạt động. Do MA được tạo bởi các cấu trúc
cộng hưởng điện từ nên nguyên lí hoạt động của MA là hấp thụ cộng hưởng. Tại
tần số cộng hưởng, các đại lượng truyền qua, phản xạ, tán xạ đều bị triệt tiêu.
Tuy nhiên, trước khi đưa vật liệu MA vào ứng dụng thực tế, vẫn còn
những vấn đề cơ bản cần được giải quyết. Một trong những hướng nghiên cứu
10

được các nhà khoa học tập trung giải quyết đó là tìm kiếm những cấu trúc MA
đơn giản. Cấu

11